CN101938618B - 一种通用的视频数字水印方法 - Google Patents

Abstract

本发明的通用的视频数字水印方法，主要包括系统设计方案分析、嵌入和提取过程。系统设计方案分析包括确定系统功能、待嵌入水印算法A_i、各算法嵌入比例以及最小提取帧数F_min；水印嵌入过程包括视频文件分帧、水印信息预处理、水印算法嵌入和形成含水印的视频文件，其中水印算法嵌入包括计算嵌入帧数、选择嵌入帧和嵌入水印；水印提取过程包括视频文件分帧、待检测视频帧选取、水印信息提取以及计算相似度。本发明的水印方法，采用多种水印算法同时嵌入，并可选择嵌入比例，使系统抗攻击特性明显增强；水印嵌入采用非逐帧嵌入，保证了视频文件的观赏性及嵌入速度；在水印提取过程中，检测帧数量少，提高了检测效率；此外，还强化了抗帧剪辑攻击的能力。

Description

一种通用的视频数字水印方法

技术领域

本发明涉及一种通用的视频数字水印方法，更具体地说，尤其涉及一种可灵活选择两种以上算法随机嵌入水印的方法，该方法在低嵌入量、低检测量的情况下，可以准确提取水印信息，并能够显著提高设计系统的性能。

背景技术

随着数字技术和因特网的发展，多媒体数字作品(图像，视频，音频等)的发表和传播变得更为简单和快速，其版权保护成为一个亟待解决的问题。由于数字水印(digital watermarking)是实现版权保护的有效办法，如今已成为多媒体信息安全研究领域的一个热点，也是信息隐藏技术研究领域的重要分支。

理论模型研究也是数字水印基础研究中的重要部分。数字水印理论模型的建立将有助于建立该领域的理论体系，为技术实用化提供理论支持。2001年刘瑞祯等人就提出了基于变换域的通用数字水印模型(CBWM：Content-Based Watermarking Model)，其基本原理是水印向量被嵌入到图像的特征向量中，且两者相互正交，它可和其他任何基于变换域的水印方法相结合有效提高算法鲁棒性和安全性。贾英江融合信息加密技术、扩频通信技术、视觉识别特性及噪声理论提出一种通用数字水印模型，该模型具有一定的普遍意义。许多水印方法，如直接序列法、跳频法等，均可由此模型直接得到。

此外，尹德辉和张勇也都针对图像数字水印提出框架模型。对于数字水印的模型研究起到了积极的推动作用，一定程度上也推动了数字水印的系统化、规范化进程。但是这些模型基本都是针对图像数字水印进行的。

除此之外，还有一些广泛意义上的数字水印模型。I.J.Cox提出了最早的信息隐藏模型，采用通信理论模型，将原始图像和有意无意的攻击看作噪声，特别是将扩频通信理论引入后，水印的鲁棒性大大提高，随后提出结合感知模型、自适应的鲁棒水印算法，在此基础上，更精确的communication with side information水印模型提出，并且这种模型得到了较为广泛的应用。之后Cachin和Moulin等人研究了基于信息论的信息隐藏模型，为该领域的研究也提供了很好的思路。姜楠等人提出了信息隐藏的最优化模型，该模型重点考虑了信息隐藏系统实际存在的鲁棒性和透明性，全面综合了信息隐藏的嵌入、提取和攻击模型，对以往信息隐藏理论模型不能描述能够引起栽体尺寸变化的几何攻击的缺点做了彻底改进。这些信息隐藏的模型基本都可以轻松应用于图像水印中，但是如果要应用视频数字水印中，并指导其具体的系统设计，则需要进行修改。

目前专门针对视频数字水印的通用模型方法研究并不多见，随着数字视频技术的发展，视频数字水印的研究显得越来越重要，尽管图像数字水印和视频数字水印有相通之处，针对图像水印的模型仍然不能直接照搬使用，必须研究可以指导视频数字水印系统设计和实用化的模型。尽管目前也有些针对视频水印的研究出现，但是基本都是以实现某一种算法为目的的，并没有对该领域内的系统设计提供切实可行的通用方案。现有的解决视频数字水印鲁棒性较为普遍的方法是将水印分成若干部分并附加索引信息或同步信息后大量重复嵌入，这种方法即使选择部分帧嵌入，其嵌入比例也比较高，而且只有在水印所有子部分全部检测到以后才可结束检测过程，存在时间和效果上的先天不足。

发明内容

本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种通用的视频数字水印方法，包括系统设计方案分析、嵌入和提取过程。

所述的系统设计方案分析包括以下步骤：

(1)确定系统功能：根据实际应用环境，确定系统应具备的特性，重点体现在抗攻击方面，具体分析系统应该需要抵抗哪种攻击；

(2)确定系统参数：包括选择水印算法A_i、确定各算法嵌入比例k_i及最小提取帧数F_min；

●针对需要抵抗的每一种攻击，从众多的可用算法中选择能抵抗的最佳算法A_i，(i＝1，2，…，m)，设定共选择m种算法，m≥2；

●根据各算法在系统中的重要性确定各自的嵌入比例k_i，k_i为相应算法的嵌入帧数占总帧数的比值；

●根据以下公式，可以由各算法的嵌入比例得到检测水印时所需的最少提取帧数F_i，

则系统检测水印时需要的最少提取帧数应该取各算法对应的最少提取帧数F_i的最大值，即F_min＝max(F_i)，才可以保证对于每种算法都能找到至少1帧嵌入帧；

所述的嵌入过程包括以下步骤：

(1)视频文件分帧：首先把待加入水印的原始视频文件进行分帧，并获得视频总帧数N；

(2)水印信息预处理：为了使水印信息利用所选各种算法A_i均能完整嵌入，需要将水印信息进行预处理，包括尺寸缩放、维数调整及二值化处理；

(3)按照以下方法利用各个算法依次进行水印嵌入，设定当前嵌入算法为A_i，具体步骤如下：

●计算当前算法的嵌入帧数：根据之前确定的嵌入比例k_i计算其嵌入帧数为N×k_i；

●随机选择嵌入帧：从视频文件的总视频帧中无重复地随机选取数量为N×k_i的视频帧作为水印嵌入帧；

●嵌入水印信息：对于每一个嵌入帧按照算法A_i进行水印嵌入；

(4)将水印嵌入帧与其余未嵌水印的视频帧按照原来的顺序合并，形成含水印的视频文件；

所述的提取过程包括以下步骤：

(1)视频文件分帧：首先把待检测视频文件进行分帧，获得视频总帧数N；

(2)随机选择待检测视频帧：从视频帧中无重复地随机选取F_min个待检测视频帧；

(3)提取水印信息：在知道嵌入算法的情况下，利用嵌入算法对应的检测算法分别在待检测视频帧中提取信息；在不知道嵌入算法的情况下，利用所有可能的嵌入算法对应的检测算法分别在待检测视频帧中提取信息；直至所有待检测视频帧提取完毕；

(4)水印信息比较：分别计算各提取信息与原始水印的相似度，根据相似度判断是否含水印信息或版权归属。

所述系统设计方案分析步骤(2)的最小提取帧数F_min的确定，是依据专利号为CN200610055129.8的发明专利中的权利要求1中所公开的求解公式来对最少提取帧数F_i进行求解的，F_min取各算法对应的最少提取帧数F_i的最大值；在水印嵌入的过程中，所选各种方法依次嵌入，直至所有算法嵌入完毕；在水印提取步骤中，当F_min个待检测视频帧被选取之后，利用待检测算法在当前帧内分别提取信息，然后再在下一个待检测视频帧中依次提取水印信息。

进一步地，本方法可以根据系统要实现的具体功能不同，选择任何可行的水印算法，使多种水印算法共同作用于水印系统中，以便显著提升系统性能。不同算法所针对的作用不同，可以根据要求设计出含有多种水印算法的系统。

更进一步地，以上所述的系统设计方案分析步骤(2)中所述的最小提取帧数F_min确定方法如下：

设定视频文件的总帧数为N，选取的嵌入水印算法数量为m，m≥2，每种水印算法的嵌入比例分别为k₁、k₂、…、k_m；则m个水印算法需要的嵌入帧数量分别为N*k₁、N*k₂、…、N*k_m；

各算法检测水印时所需的最少检测帧数与算法的嵌入比例的关系为：

$F=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{ceil}(\frac{100}{24k-1}+21)& k\∈[\frac{1}{20},\frac{1}{5}]\\ \mathrm{ceil}(\frac{40.5}{10.4k-1}+8.5)& k\∈(\frac{1}{5},\frac{2}{5}]\\ \mathrm{ceil}(\frac{30}{6k-1}-1)& k\∈(\frac{2}{5},\frac{4}{5}]\\ \mathrm{ceil}(\frac{15}{3k-1}-4)& k\∈(\frac{4}{5},1]\end{array}\right.$

其中，上述公式中的ceil表示向大数取整；

则根据上式，将各算法的嵌入比例k₁、k₂、…、k_m对应上式中的标记比例k，可以确定各算法检测水印时所需的最少检测帧数F₁、F₂、…、F_m，为了保证每种算法的嵌入帧都能至少被检测到一帧，则要求系统检测水印时最低检测帧数为F_min＝max(F_i)。F_min按照上述的方法取值，每种水印算法的嵌入信息均可被至少检测到一次。

由于嵌入的水印不可避免的水受到干扰，所述的提取步骤(3)中，分别计算各提取信息与原始水印相似度，若存在相似度高于75％即可认为视频帧中含有水印，否则不含水印。

本发明所述的一种通用的视频数字水印方法，其特点在于：

(1)多种算法明显提升系统性能：在向视频帧中嵌入水印信息时，选择的水印算法大于或等于两种，由于不同的水印算法具有不同的特点，则具有不同的抗攻击功能。用多种算法在不同帧内将水印信息嵌入，则可最大限度发挥各算法的优点，以各算法对抗各攻击的最佳结果作为系统最后结果，大大提升系统的性能。

(2)可以根据实际应用的需求不同，灵活调节各算法的嵌入比例。所述每种算法的嵌入比例是指每个算法对应的嵌入帧占总视频帧的百分比；所有的嵌入帧均不重复。嵌入比例越高，相应水印检测也就越容易。例如，一个视频文件在发布或传输过程中容易受到压缩操作，那么在嵌入水印的过程中，抗压缩的水印算法可以选择较大的嵌入比例，以便能准确快速地提取到水印信息。

(3)本发明设计的视频水印系统强化了抗帧剪辑攻击的能力。视频文件经常受到帧剪切、添加、重组等这类最常见的操作，往往使得原始的同步信息受到破坏，使准确寻找嵌入帧变得困难。本发明的一种通用的视频数字水印方法，视频嵌入帧和检测帧的选取均是无重复地随机选取。这种随机选择的做法有效提升整个系统安全性，即使视频文件遭受帧操作攻击时，只要检测帧数量大于或等于最低检测帧数量，就可以保证检测帧中至少含有一个嵌入帧，在水印算法鲁棒的情况，从检测帧中检测到水印就非常容易了。

(4)系统嵌入比例低，提取数量少。尽管系统采用了多种算法嵌入，但总体嵌入比例并没有达到100％，系统运行速度快，而且对于视频文件的视觉影响较小。同时并没有因为随机嵌入而使提取变得困难，一般检测帧数量为几十帧即可，检测速度较快。

(5)本发明的视频数字水印方法是通用的。任何基于视频数字水印的设计方案均可适用，包括鲁棒、半脆弱或者脆弱等在内的各种类型的视频数字水印也都同样适用。

本发明的有益效果是：本发明的通用的视频数字水印方法，可根据实际应用的具体要求不同，采用多种水印算法同时嵌入，可灵活选择所需要的水印算法及其嵌入比例，设计更实用的视频水印系统，使系统抗攻击特性明显增强；水印嵌入采用非逐帧嵌入方法，水印嵌入量少，保证了视频文件良好的观赏性；在水印提取过程中，根据嵌入帧数量科学地选取待检测帧数量，使检测帧数量少，提高了检测效率；同时利用已有专利技术，有效增强视频文件的抗帧剪辑性能，更有利于视频文件的版权保护。

附图说明

图1为系统设计方案分析流程图；

图2为水印嵌入流程图；

图3为水印提取流程图；

具体实施方式

下面结合图1、图2和图3说明本发明的一种通用的视频数字水印方法中的系统设计方案分析、水印嵌入和水印提取的方法步骤。

如图1和图2所示的系统设计方案分析和水印嵌入流程图，具体步骤如下：

(1)确定系统功能：依据视频文件的实际应用环境，全面分析含水印文件应该具备的特性，比如可以抵抗哪几方面的攻击，以及遭受各种攻击的可能性大小。

(2)根据系统要求，选择或者编写能够对抗(1)中所列攻击的最佳算法A₁、A₂、…、A_m，共计m种(m≥2)；并且根据各攻击出现的概率大小来确定其嵌入比例k₁、k₂、…、k_m。出现概率大的攻击，其对应的抗该攻击的算法可以考虑适当加大嵌入比例。

(3)确定系统最低提取帧数量：根据专利CN200610055129.8中所公开的以下公式，

$F=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{ceil}(\frac{100}{24k-1}+21)& k\∈[\frac{1}{20},\frac{1}{5}]\\ \mathrm{ceil}(\frac{40.5}{10.4k-1}+8.5)& k\∈(\frac{1}{5},\frac{2}{5}]\\ \mathrm{ceil}(\frac{30}{6k-1}-1)& k\∈(\frac{2}{5},\frac{4}{5}]\\ \mathrm{ceil}(\frac{15}{3k-1}-4)& k\∈(\frac{4}{5},1]\end{array}\right.$

并由各嵌入比例k_i，(i＝1，2，…，m)得出各算法对应的最低检测数量F_i，(i＝1，2，…，m)，计算系统最低提取帧数为F_min＝max(F_i)。

(4)对视频文件分帧，获得组成视频文件的所有帧图像序列及帧数N。

(5)水印信息预处理：对水印图像进行缩放操作，保证水印信息能被所选算法完整嵌入；同时，还可能需要对水印信息进行二值化或者维数改变。

(6)利用所选算法将水印信息嵌入，以嵌入算法A_i为例，具体过程如下，直到所有算法A₁、A₂、…、A_m均被嵌入，过程结束。

●根据嵌入比例k_i计算嵌入帧数N×k_i；

●从总视频帧中无重复地随机选取数量为N×k_i的视频帧作为嵌入帧；

●在每一个嵌入帧中按照算法A_i进行水印嵌入。

(7)将水印嵌入帧与其余未嵌水印的视频帧按照原来的顺序合并，形成含水印的视频文件。

如图3所示，待检测视频文件的水印提取过程如下：

(1)视频文件分帧：获得组成视频的帧图像序列及视频总帧数N；

(2)从视频帧中无重复地随机选取F_min个待检测视频帧；

(3)提取水印信息：在知道嵌入算法的情况下，利用嵌入算法对应的检测算法分别在每一待检测帧中提取信息，直至所有待检测帧信息提取完毕；在不知道嵌入算法的情况下，利用所有可能的算法对应的检测算法分别在每一待检测帧中提取信息，直至所有检测帧信息提取完毕；最后分别计算各提取信息与原始水印的相似度，若存在相似度高于75％即可认定含水印信息，否则不含水印。

Claims (4)

1.一种通用的视频数字水印方法，包括系统设计方案分析、嵌入和提取过程，其特征在于：

所述的系统设计方案分析包括以下步骤：

(1)确定系统功能：根据实际应用环境，确定系统应具备的特性，重点体现在抗攻击方面，具体分析系统应该需要抵抗哪种攻击；

(2)确定系统参数：包括选择水印算法A_i、确定各算法嵌入比例k_i及最小提取帧数F_min；

●针对需要抵抗的每一种攻击，从众多的可用算法中选择能抵抗的最佳算法A_i，(i＝1，2，…，m)，设定共选择m种算法，m≥2；

●根据各算法在系统中的重要性确定各自的嵌入比例k_i，k_i为相应算法的嵌入帧数占总帧数的比值；

●根据以下公式，可以由各算法的嵌入比例得到检测水印时所需的最少提取帧数F_i，

则系统检测水印需要的最少提取帧数应该取各算法对应的最少提取帧数F_i的最大值，即F_min＝max(F_i)，才可以保证对于每种算法都能找到至少1帧嵌入帧；

所述的嵌入过程包括以下步骤：

(1)视频文件分帧：首先把待加入水印的原始视频文件进行分帧，获得视频总帧数N；

(2)水印信息预处理：为了使水印信息利用所选各种算法A_i均能完整嵌入，需要将水印信息进行预处理，包括尺寸调整、降维或二值化；

(3)按照以下方法利用各个算法依次进行水印嵌入，设定当前嵌入算法为A_i，具体步骤如下：

●计算当前算法的嵌入帧数：根据之前确定的嵌入比例k_i计算其嵌入帧数N×k_i；

●随机选择嵌入帧：从视频文件的总视频帧中无重复地随机选取数量为N×k_i的视频帧作为水印嵌入帧；

●嵌入水印信息：对于每一个嵌入帧按照算法A_i进行水印嵌入；

(4)将水印嵌入帧与其余未嵌水印的视频帧按照原来的顺序合并，形成含水印的视频文件；

所述的提取过程包括以下步骤：

(1)视频文件分帧：首先把待检测视频文件进行分帧，并获得视频总帧数N；

(2)随机选择待检测视频帧：从视频帧中无重复地随机选取F_min个待检测视频帧；

(3)提取水印信息：在知道嵌入算法的情况下，利用嵌入算法对应的检测算法分别在待检测视频帧中提取信息；在不知道嵌入算法的情况下，利用所有可能的嵌入算法对应的检测算法分别在待检测视频帧中提取信息；直至所有待检测视频帧信息提取完毕；

(4)水印信息比较：分别计算各提取信息与原始水印的相似度，根据相似度判断是否含水印信息或版权归属。

2.根据权利要求1所述的通用的视频数字水印方法，其特征在于：本方法可以根据系统要实现的具体功能不同，选择任何可行的水印算法，使多种水印算法共同作用于水印系统中，以便显著提升系统性能。

3.根据权利要求1或2所述的通用的视频数字水印方法，其特征在于：系统设计方案分析步骤(2)中所述的最小提取帧数F_min确定方法如下：

设定视频文件的总帧数为N，选取的嵌入水印算法数量为m，m≥2，每种水印算法的嵌入比例分别为k₁、k₂、…、k_m；则m个水印算法需要的嵌入帧数量分别为N*k₁、N*k₂、…、N*k_m；

各算法检测水印时所需的最少检测帧数与算法的嵌入比例的关系为：

$F=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{ceil}(\frac{100}{24k-1}+21)& k\∈[\frac{1}{20},\frac{1}{5}]\\ \mathrm{ceil}(\frac{40.5}{10.4k-1}+8.5)& k\∈(\frac{1}{5},\frac{2}{5}]\\ \mathrm{ceil}(\frac{30}{6k-1}-1)& k\∈(\frac{2}{5},\frac{4}{5}]\\ \mathrm{ceil}(\frac{15}{3k-1}-4)& k\∈(\frac{4}{5},1]\end{array}\right.$

其中，上述公式中的ceil表示向大数取整；

则根据上式，由各算法的嵌入比例k₁、k₂、…、k_m，可以确定各算法检测水印时所需的最少检测帧数F₁、F₂、…、F_m，为了保证每种算法的嵌入帧都能至少被检测到一帧，则要求系统检测水印时最低检测帧数为F_min＝max(F_i)。

4.根据权利要求1或2所述的一种通用的视频数字水印方法，其特征在于：所述的提取步骤(3)中，分别计算各提取信息与原始水印相似度，若存在相似度高于75％即可认为视频帧中含有水印，否则不含水印。

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